Traktoreiden vaihteistot ja niiden tulevaisuus

Permalink

University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Agricultural Engineering

Thesis level:

master's thesis

Abstract:

Suomessa traktoreiden historia on sadan ja koko maailmassa 120 vuoden mittainen. Traktoreiden kehitys on ollut jatkuvaa. Ensimmäiset vuosikymmenet keskityttiin moottoreihin. Ilmakumirenkaiden tulo mahdollisti maantienopeuksien kasvamisen, joka lisäsi vaihteiden lukumäärän tarvetta. 1950-luvulla tehtiin suurin osa vaihteistoihin kohdistuvista keksinnöistä. Ensimmäiset pikavaihteet, portaaton hydrostaattinen voimansiirto, polttokennotraktori, aluevaihteet ja suunnanvaihtajat esiteltiin tuolloin. Seuraavina vuosikymmeninä näitä ominaisuuksia on paranneltu ja esitelty uutuuksina. Viime vuosina yleistynyt portaaton mekaanishydrostaattinen tehonjakovaihteisto (CVT) on esitelty jo 1910-luvulla Renault autoissa. Ensimmäinen CVT-traktori oli vuonna 1995 esitelty Fendt 926. Seuraavat CVT-traktorimerkit tulivat vuonna 1999 ZF:n Eccom ja S-Matic-vaihteistojen markkinoilletulon myötä. Vuoden 2008 loppuun mennessä esitellyistä CVT-traktoreista vain John Deeren USA:n ja Valtran traktorimallit oli tehty omilla dieselmoottoreilla ja CVT-vaihteistoilla. Kaikki muut merkit oli koottu viidestä eri vaihteistosta ja moottorista. Tulevien vuosien aikana eri vaihteistoratkaisuja ja –merkkejä on tulossa markkinoille useita. Myös mekaaniset Torotrak ja ketjuvariaattorit tulevat markkinoille alle 75 kW:n teholuokassa. Samalla traktorimerkkien lukumäärä kasvaa ja kaikkien CVT-vaihteistojen keskinäiset erot lisääntyvät. Nykyiset CVT-vaihteistot poikkeavat toisistaan erilaisten toimintaperiaatteiden, toimintatavan ja rakenteen vuoksi. Vaihteistot jaetaan kahteen pääryhmään toimintaperiaatteen perusteella: momenttia ja nopeutta summaaviin. Toimintatavan mukainen jaottelu perustuu lähinnä hydrostaattisen osan toimintaan. Täys-CVT-vaihteistossa mekaanisen voimansiirron osuus kasvaa lineaarisesti ajonopeuden kasvaessa. Osittais-CVT-vaihteiston hydrostaattisen osan tehtävä on tasata eri välitysten välisiä nopeuseroja. Näissä vaihteistoissa hydrostaattisen voimansiirron osuus on 20–40%. Kaksois-CVT-vaihteistoissa hydrostaattisen voimansiirron osuus vaihtelee eri ajonopeuksilla. Näillä saavutetaan useita mekaanisen 100 %:n hyötysuhteen pistettä eri vaihteilla. Osittais-CVT-vaihteistoilla liikkeellelähtö tapahtuu aina I-vaihteella, kun muilla vaihteistoilla liikkeellelähtö onnistuu kaikilla vaihteilla. Traktoreiden uutuusominaisuuksien yleistymisen ennustaminen perustuu nelivetoisten traktoreiden yleistymiseen Länsi- Euroopassa ja Suomessa. Tarkimmin tämä voidaan laskea Logistic-funktion avulla, jolla laskettu ennuste tarkentuu lähtötietojen lisääntyessä. Traktoreiden uutuusominaisuuksien yleistyminen noudattaa säännöllistä s-käyrää. Varsinainen kasvu osuu 10–90
% väliselle jaksolle, jossa Länsi-Euroopassa kasvu on 4,0 prosenttiyksikköä ja Suomessa 7,5 prosenttiyksikköä vuosittain. Seuraavien vuosien aikana tulee tarve tämän tutkimuksen täydentämiselle vaihteistojen tekniikoiden osalta ja ennusteiden lähtötietojen lisääntyessä ennustelaskelmien tarkennukseen. CVT-vaihteistojen toimintaperiaatteesta kuljettajat voisivat ottaa oppia myös portaallisilla traktoreilla ajaessaan. Traktorivalmistajien tulisi lisätä käyttäjäkoulutusta oikean ajotavan opettamiseen esimerkiksi osana välittävää jälkimarkkinointia.The history of tractor in Finland is 100 years old and in the whole world 120 years old. Development of tractors is continually ongoing. During the first decades it concentrated on engines. The introduction of air-filled tyres made it possible to increase speed on the road, which in turn lead to an increase in the number of gears. Most of the inventions within transmissions were made during the 1950s. The first powershift gears, stepless hydrostatic transmissions, fuell-sell tractor, range-gear and the power shuttle were all introduced during this time. Over the next decades these features were improved and presented as new inventions. The hydrostatic-mechanical power split continuously variable transmission (CVT) has become more common in recent years, but the basic invention was already in use elsewhere during the 1910s. The first CVT tractor was the Fendt 926, which was launched in 1995. Later introductions came in 1999, when ZF’s Eccom and the S-Matic both came to the market. Of all the CVT tractors that were introduced to the market up until 2008, only the John Deere IVT ant the Valtra Direct machines were equipped with the manufacturer’s own diesel engines and CVT transmissions. All other CVT tractors were manufactured using five different transmissions and engines. In the coming years, several more transmissions and brands will appear on the market. Mechanical Torotraks and steel belt variators will be available for low-horsepower tractors in the sub-75 kW class. At the same time the number of brands seen in the CVT arena is increasing and the differences in the construction of stepless transmissions will grow. Current CVT transmissions differ from each greatly, with different functional principles, functionality and structure. Transmissions are divided into two main categories on the basis on functional principle, either summing up torque or summing up speed. The functionality division in mostly based on the hydrostatic part. In a full-CVT transmission, the percentage decrease of hydrostatic transmission has s linear relationship with the percentage increase in running speed. The function of the hydrostat in a semi-CVT transmission in to balance the speed differences between different gearing rations. In these transmissions the hydrostatic part of the transmission in around 20–40%. The percentage of hydrostatic transmission in double-CVT transmission varies with the driving speed. Double-CVT transmissions can have several driving speeds where the percentage of mechanical transmission is very close to 100%. The theoretical predictions about how common new features will become is based upon a study of four-wheel tractors in Western Europe and Finland. This can be precisely calculated using Logistic-funktion the result would be better if the source data covered a longer time period. The regular S-curve depicts how common the new features will become in tractors of the future. The real growth area is during the period when the market share of 4wd tractors increase from 10 to 90 %. This shows that the annual growth in Western Europe was 4,0% and in Finland 7,5%. Within the next few years it will become necessary to study further new entrants of the CVT transmission market and to make predictions more precise by means of increasing the amount of source data. The users driving with conventional transmissions could utilise the driving strategies of CVT transmissions. Tractor manufacturers should ensure that their customers are fully educated in the use of their new machines, in order that they develop the correct driving habits. This in an important part of postmarketing strategy.